王保民 張淑敏（河北華北柴油機(jī)有限責(zé)任公司，河北 石家莊，050081）

離散型制造業(yè)智能工廠建設(shè)思路與關(guān)鍵要素分析

王保民 張淑敏
（河北華北柴油機(jī)有限責(zé)任公司，河北 石家莊，050081）

本文對照德國制造業(yè)在世界金融危機(jī)中的優(yōu)異表現(xiàn)，探討了離散型制造業(yè)智能工廠建設(shè)思路和關(guān)鍵要素。其中，通過德國工業(yè)4.0和中國制造2025戰(zhàn)略目標(biāo)的對比，結(jié)合國內(nèi)形勢及智能工廠建設(shè)現(xiàn)狀，提出了智能設(shè)備的互聯(lián)互通、基于大數(shù)據(jù)分析的決策與支持、生產(chǎn)過程的管理與控制等智能工廠建設(shè)關(guān)鍵要素，以應(yīng)對新技術(shù)革命的沖擊，實現(xiàn)由傳統(tǒng)制造向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化制造轉(zhuǎn)型升級，促進(jìn)我國由工業(yè)大國向工業(yè)強(qiáng)國的蛻變。

離散型； 智能工廠； 工業(yè)4.0； 中國制造2025

中國是全球制造業(yè)第一大國，已在諸多領(lǐng)域取得了輝煌的成就。但客觀來說，中國仍大而不強(qiáng)，制造業(yè)基礎(chǔ)薄弱、發(fā)展水平不平衡、信息化水平較低，正處于從價值鏈低端向中高端、從制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時期。受到現(xiàn)代制造業(yè)與新一代信息技術(shù)深度融合的發(fā)展趨勢以及各國制造業(yè)科技創(chuàng)新的影響，我國也亟待找出一條新的發(fā)展之路，《中國制造2025》是中國政府實施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的第一個十年的行動綱領(lǐng)，旨在推動制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。智能工廠建設(shè)是實現(xiàn)戰(zhàn)略目標(biāo)的切入點，正被越來越多的企業(yè)所關(guān)注。

1 國內(nèi)外形勢及智能工廠建設(shè)的緊迫性

當(dāng)前，德國工業(yè)迅猛發(fā)展，業(yè)已實現(xiàn)了“高度自動化”，正從工業(yè)3.0向工業(yè)4.0邁進(jìn)。工業(yè)4.0是德國政府《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》中的一項戰(zhàn)略，旨在支持工業(yè)領(lǐng)域新一代革命性技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新，保持德國的國際競爭力［1］。它的核心是通過建立一個信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System，簡稱CPS系統(tǒng)），實現(xiàn)人與機(jī)器的縱向集成、人與人的橫向集成和服務(wù)與服務(wù)的端到端集成，最終打造一個智能工廠，實現(xiàn)智能生產(chǎn)，旨在“確保德國制造業(yè)的未來”。

而中國工業(yè)發(fā)展參差不齊，處在“2.0補(bǔ)課，3.0普及，4.0示范”的階段，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)狀，中國提出了中國制造2025戰(zhàn)略，這是中國版的“工業(yè)4.0”，它以“工業(yè)和信息化的深度融合”為主線，以智能制造為主攻方向，提出在重點領(lǐng)域試點建設(shè)智能工廠/數(shù)字化車間。其戰(zhàn)略目標(biāo)是為了實現(xiàn)由制造大國向制造強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變，確保“中國制造業(yè)的未來”。

工信部部長苗圩指出“德國的工業(yè)4.0和中國制造2025，從大的方向上來說，是不謀而合，異曲同工?！弊鳛橹圃鞓I(yè)很強(qiáng)的德國和制造業(yè)很大的中國，都在各自的國家戰(zhàn)略中有共同的交匯點，那就是CPS系統(tǒng)的“智能工廠”。

智能工廠是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理服務(wù)，提高生產(chǎn)過程可控性、減少生產(chǎn)線人工干預(yù)，合理計劃排產(chǎn)，同時，集初步智能手段和智能系統(tǒng)等新興技術(shù)于一體，構(gòu)建高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保、舒適的人性化工廠。

當(dāng)前，中國的制造業(yè)仍處在附加值低、創(chuàng)新能力弱，結(jié)構(gòu)不合理的產(chǎn)業(yè)鏈低端，如何將“中國制造”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸袊鴦?chuàng)造”，提升中國制造業(yè)的全球競爭力，是中國政府的一大任務(wù)，而“智能工廠”是企業(yè)提高競爭力的切入點。

2 目前智能工廠標(biāo)桿企業(yè)建設(shè)情況

德國西門子旗下的安貝格電子制造工廠，是智能化未來工廠的典范，也是以德國工業(yè)4.0為目標(biāo)而打造的第一個現(xiàn)代工廠。它擁有高度數(shù)字化的生產(chǎn)流程，能靈活實現(xiàn)小批量、多批次生產(chǎn)，每100萬件產(chǎn)品殘次品僅為10余件，生產(chǎn)線可靠性達(dá)到99%、可追溯性高達(dá)100%。它與西門子在華姐妹工廠—成都西門子工廠，從研發(fā)、生產(chǎn)、采購等一系列的平臺都是共享的，成都西門子工廠的良品率達(dá)到了99.9985%，準(zhǔn)時交付率達(dá)到98.8%［2］。

三一重工公司是典型的離散制造型行業(yè)，建有亞洲最大的智能制造車間，這也是該公司的總裝車間，車間還配有混凝土機(jī)械、路面機(jī)械、港口機(jī)械等多條裝配線。三一重工從2012年開始進(jìn)行智能制造示范項目建設(shè)，目前已建成車間智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和刀具管理系統(tǒng)、公共制造資源定位與物料跟蹤管理系統(tǒng)、計劃/物流/質(zhì)量管控系統(tǒng)生產(chǎn)控制中心（PCC）中央控制系統(tǒng)等智能系統(tǒng)，廠房規(guī)劃全面應(yīng)用數(shù)字化工廠仿真技術(shù)進(jìn)行方案設(shè)計與驗證，大大提高了規(guī)劃的科學(xué)性和布局的合理性［3］。

青島紅領(lǐng)集團(tuán)是一家C2M（Customer to Manufacturer）模式的智能工廠。它強(qiáng)調(diào)“個性化定制”的理念，借助互聯(lián)網(wǎng)搭建消費者與制造商的直接交互平臺，從設(shè)計生產(chǎn)到物流售后，全過程依托數(shù)據(jù)驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)運作，實現(xiàn)了智能排產(chǎn)、智能制造執(zhí)行、智能設(shè)備使用、物料的智能化識別、人機(jī)交互的可視化、智能物流等。據(jù)估計，2015年營收增長將超過200%，未來幾年更將實現(xiàn)幾何倍數(shù)的增長。

以上實例可以看出，智能工廠的突出特點包括個性化定制、效率高、成本低以及質(zhì)量穩(wěn)定。在工業(yè)4.0和中國制造2025的大環(huán)境下，各地密集出臺智能工廠配套措施和規(guī)劃建設(shè)方案，力求通過持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)，實現(xiàn)企業(yè)設(shè)計、工藝、制造、管理、監(jiān)測、物流等環(huán)節(jié)的集成優(yōu)化，全面提升企業(yè)的資源配置優(yōu)化、操作自動化、實時在線優(yōu)化、生產(chǎn)管理精細(xì)化和智能決策科學(xué)化水平，最終建成智能工廠，實現(xiàn)智能制造。

3 離散型發(fā)動機(jī)制造企業(yè)經(jīng)營特點

離散型制造企業(yè)的生產(chǎn)特點包括：產(chǎn)品規(guī)格多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大；品種多、采用中小批量、混線生產(chǎn)模式；產(chǎn)品物料需求量大，物流管理復(fù)雜；生產(chǎn)過程中大量數(shù)據(jù)、信息分散在各部門技術(shù)人員手中，部門之間的信息交流不暢，從而導(dǎo)致生產(chǎn)及質(zhì)量問題不能及時得到反饋、解決，造成大量的生產(chǎn)計劃延期，生產(chǎn)效率低下［4］。

在現(xiàn)代企業(yè)高標(biāo)準(zhǔn)要求和個性化市場經(jīng)濟(jì)形式下，多品種、小批量離散型企業(yè)傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造管理模式弊端愈來愈明顯。在德國自動化、美國信息化迅猛發(fā)展的形勢下，以工業(yè)4.0、中國制造2025為戰(zhàn)略目標(biāo)建設(shè)智能工廠，是實現(xiàn)中國制造業(yè)由大變強(qiáng)的基礎(chǔ)，也是落實中國制造2025戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵。

4 智能工廠建設(shè)思路

德國工業(yè)4.0的定義是重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實現(xiàn)。其中，“網(wǎng)絡(luò)分布式生產(chǎn)設(shè)施的實現(xiàn)”是實現(xiàn)智能生產(chǎn)的基礎(chǔ)，主要指將生產(chǎn)設(shè)備如機(jī)床、機(jī)器人、AGV車、測試儀器等各種數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行DNC聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)互通和MDC智能監(jiān)控；而智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程則是涵蓋智能工廠的核心，就是對生產(chǎn)過程的智能管控，也就是制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing ExecutionSystem，簡稱MES）。

建設(shè)智能工廠是一個系統(tǒng)工程，它貫穿了產(chǎn)品從設(shè)計、制造、服務(wù)等全生命周期，因此，智能工廠建設(shè)必須從全局出發(fā)，以MES系統(tǒng)為核心，考慮產(chǎn)品設(shè)計、物流等各個方面，最大限度地提升企業(yè)的生產(chǎn)效率和管理水平。

5 智能工廠建設(shè)關(guān)鍵要素

智能工廠建設(shè)是一個全面的系統(tǒng)工程，需要顧及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和整個產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力的提升。如何建設(shè)一個具有中國特色的智能工廠，首先要分析智能工廠的關(guān)鍵要素，比如智能設(shè)備的互聯(lián)互通、基于大數(shù)據(jù)分析的決策與支持、生產(chǎn)過程的管理與控制、可視化展現(xiàn)、智能立體庫及物料配送系統(tǒng)等，通過對產(chǎn)品全價值鏈的分析和全系統(tǒng)集成，最終進(jìn)行智能工廠建設(shè)。鏈數(shù)據(jù)、外部數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等，尤其對于多品種、小批量生產(chǎn)的離散型制造企業(yè)而言，數(shù)據(jù)量更是龐大。傳統(tǒng)生產(chǎn)模式是采用大量的人工干預(yù)，但也難以達(dá)到生產(chǎn)過程的最佳狀態(tài)。

而智能制造的個性化和大數(shù)據(jù)優(yōu)勢，可以通過對產(chǎn)品、訂單及車間生產(chǎn)等大數(shù)據(jù)進(jìn)行充分挖掘和分析，自動生成各種直觀的統(tǒng)計表和分析報表，表的內(nèi)容包括訂單情況、計劃制定情況、執(zhí)行情況、質(zhì)量情況、庫存情況等，這些統(tǒng)計表和分析表都為企業(yè)快速準(zhǔn)確的決策提供支持。

5.1 智能設(shè)備互聯(lián)互通

設(shè)備互聯(lián)互通是智能工廠的基礎(chǔ)，也是工業(yè)4.0 CPS系統(tǒng)的體現(xiàn)。設(shè)備互聯(lián)互通主要采用DNC/MDC系統(tǒng)將不同接口和不同控制系統(tǒng)、不同通訊協(xié)議的數(shù)控設(shè)備連接成一個網(wǎng)絡(luò)，由一臺計算機(jī)實現(xiàn)對所有數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)分布式集中管理，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的實時管理與監(jiān)控。

DNC（Distributed Numerical Control的簡稱），稱之為分布式數(shù)字控制，是智能工廠的前提和基礎(chǔ)，承擔(dān)著與底層數(shù)控設(shè)備之間網(wǎng)絡(luò)通訊和數(shù)據(jù)自動采集的任務(wù)，是MES系統(tǒng)與數(shù)控設(shè)備之間溝通的橋梁。DNC系統(tǒng)接收MES系統(tǒng)的計劃指示并將指令傳遞給車間現(xiàn)場和設(shè)備，將數(shù)控設(shè)備納入整個系統(tǒng)進(jìn)行管理。

MDC（Manufacturing Data Collection的簡稱）是指機(jī)床監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實時采集數(shù)控設(shè)備的狀態(tài)、程序信息、加工件數(shù)、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量等各種信息，分析計算后將生產(chǎn)運行狀況反饋給MES系統(tǒng)，成為上層信息系統(tǒng)MES、PDM、ERP決策的依據(jù)。

5.2 基于大數(shù)據(jù)分析的決策與支持

制造業(yè)的整個價值鏈和制造業(yè)產(chǎn)品的整個生命周期都涉及諸多數(shù)據(jù)，比如產(chǎn)品數(shù)據(jù)、運營數(shù)據(jù)、價值

5.3 生產(chǎn)過程的管理與控制

生產(chǎn)過程的管理控制主要采用高級計劃排產(chǎn)系統(tǒng)APS（Advanced Planning and Scheduling的簡稱）、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES以及相關(guān)的質(zhì)量管控系統(tǒng)SPC（Statistical Process Control的簡稱）等，實現(xiàn)優(yōu)化排產(chǎn)、對制造資源的跟蹤、生產(chǎn)過程監(jiān)控，以及計劃、物流、質(zhì)量集成管控下的均衡生產(chǎn)。

生產(chǎn)過程的管理控制，首先要從計劃源頭上確保計劃的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，通過系統(tǒng)集成，從ERP等上游系統(tǒng)讀取主生產(chǎn)計劃，利用APS系統(tǒng)，按照訂單數(shù)量、交貨期、生產(chǎn)周期、庫存情況等信息進(jìn)行自動排產(chǎn)，解決離散型企業(yè)多工序、多資源的優(yōu)化調(diào)度問題，最終達(dá)到“交期產(chǎn)能精確預(yù)測，工序生產(chǎn)與物流供應(yīng)最優(yōu)”。

制造執(zhí)行系統(tǒng)MES是應(yīng)用先進(jìn)的管理理念和信息技術(shù)進(jìn)行的一種生產(chǎn)制造模式。它以數(shù)控設(shè)備DNC通信聯(lián)網(wǎng)作為基礎(chǔ)，通過信息傳遞，對從訂單下達(dá)到完成整個的產(chǎn)品生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化管理，對加工過程進(jìn)行監(jiān)控，實時了解操作/任務(wù)狀態(tài)、過程參數(shù)機(jī)器/操作員狀態(tài)等，為企業(yè)提供連接計劃、工藝、生產(chǎn)車間和設(shè)備的橋梁，同時能對實時發(fā)生的事件及時做出反應(yīng)、報告，并用當(dāng)前的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對它們進(jìn)行指導(dǎo)和處理［5］。

質(zhì)量管控系統(tǒng)SPC是借助數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法的過程控制工具，自動采集生產(chǎn)線上的關(guān)鍵工藝參數(shù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控和統(tǒng)計分析，從而區(qū)分出生產(chǎn)過程中的正常波動和異常波動，及時發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，確保生產(chǎn)質(zhì)量，同時也為產(chǎn)品質(zhì)量追溯提供可靠依據(jù)。

5.4 可視化展現(xiàn)

可視化展現(xiàn)包括3D模型可視化和車間監(jiān)控系統(tǒng)。

1）3D模型可視化。

在工業(yè)4.0中，有縱向集成、橫向集成和端對端集成，這三項集成是實現(xiàn)企業(yè)間和企業(yè)內(nèi)部價值流集成的關(guān)鍵，而基于3D產(chǎn)品模型實現(xiàn)信息共享是三項集成均涉及的重要技術(shù)?？梢暬宫F(xiàn)采用3D可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)不同CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步加載、可視化展現(xiàn)和檢查?？梢暬宫F(xiàn)涵蓋了產(chǎn)品的全生命周期，也是縱向集成、橫向集成和端對端集成的重要基礎(chǔ)。

2）車間監(jiān)控系統(tǒng)。

它能實現(xiàn)生產(chǎn)過程的全面監(jiān)控，保證生產(chǎn)現(xiàn)場的安全以及現(xiàn)場問題的追溯。為達(dá)到可視化管控目的，可采取車間大屏幕滾動警示、生產(chǎn)現(xiàn)場工人觸摸屏、現(xiàn)場問題警示客戶端、設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)控、訂單進(jìn)度實時監(jiān)控等模式來解決車間生產(chǎn)現(xiàn)場的透明度問題。

5.5 智能立體倉庫和倉儲管理系統(tǒng)

進(jìn)行智能立體庫和倉儲管理系統(tǒng)WMS（Warehouse Management System的簡稱）的建設(shè)，主要是通過計算機(jī)、條形碼技術(shù)或RFID電子標(biāo)簽技術(shù)對產(chǎn)品進(jìn)行分類存儲和讀取，然后利用AGV小車進(jìn)行物料配送，最終實現(xiàn)存取自動化、配送智能化。

智能立體倉庫一般由立體貨架、出入庫托盤輸送系統(tǒng)、尺寸檢測條碼閱讀系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成。

倉儲管理系統(tǒng)WMS是一個實時的計算機(jī)軟件系統(tǒng)，它能夠按照業(yè)務(wù)規(guī)則和運算法則，對產(chǎn)品進(jìn)行收貨處理、上架管理、揀貨作業(yè)、補(bǔ)貨管理，出貨管理等。當(dāng)有物料需求時，裝配線上的物料員會報單給立體倉庫，配送系統(tǒng)根據(jù)班組提供的信息，通過WMS找到物料，然后通過AGV小車自動沿規(guī)定的路徑把產(chǎn)品送到指定工位。

6 智能工廠建設(shè)效果分析

智能工廠采用的是一種高度自動化、高度信息化、高度網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)模式。進(jìn)行智能工廠建設(shè)，實現(xiàn)了技術(shù)、物料、工具、質(zhì)量等生產(chǎn)準(zhǔn)備協(xié)同，從根本上避免了因某一方面準(zhǔn)備不足而影響生產(chǎn)的現(xiàn)象，并通過智能設(shè)備的互聯(lián)互通、基于大數(shù)據(jù)分析的決策與支持、生產(chǎn)過程的管理與控制、可視化展現(xiàn)、智能立體庫及物料配送等系統(tǒng)的實施，實現(xiàn)計劃、物流、質(zhì)量集成管控下的均衡化生產(chǎn)，實現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級和跨越式發(fā)展。

7 結(jié)論

建設(shè)智能工廠是中國制造2025的一大遠(yuǎn)景目標(biāo)，是推進(jìn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提升創(chuàng)新能力、促進(jìn)兩化深度融合、促進(jìn)企業(yè)跨越式發(fā)展的重要戰(zhàn)略舉措。進(jìn)行智能工廠建設(shè)，也是確保中國制造業(yè)未來的有效途徑。

（References）

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［4］王保民，張淑敏.基于MES系統(tǒng)的離散型發(fā)動機(jī)制造企業(yè)精益生產(chǎn)模式［C］//數(shù)字化/精益化/智能化發(fā)展與兵器制造業(yè)學(xué)術(shù)研討會論文集，2013.

［5］戴勇，曹江輝. MES，讓制造與計劃相統(tǒng)一［J］.中國計算機(jī)用戶，2003（27）：48.

王保民（1964—），男，兵器科技帶頭人，研究員級高級工程師，主要研究方向為汽車發(fā)動機(jī)零部件工藝技術(shù)、企業(yè)信息化技術(shù)。